氫鎳蓄電池壽命影響分析及在軌充電控制技術(shù)研究

杜 紅 劉 震 曹 俊 崔 波

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

1 引言

氫鎳蓄電池目前已經(jīng)成為航天器最主要的化學(xué)儲(chǔ)能電源之一,國(guó)內(nèi)外發(fā)射的高軌道航天器幾乎100%采用氫鎳蓄電池,低軌道航天器也有相當(dāng)數(shù)量采用氫鎳蓄電池作為儲(chǔ)能電源。盡管目前受到高比能的鋰離子電池的沖擊,但是其成熟的飛行經(jīng)驗(yàn)和高可靠、長(zhǎng)壽命的特性還會(huì)使其在空間應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮其優(yōu)勢(shì),擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

目前國(guó)內(nèi)外在氫鎳蓄電池單體和組件技術(shù)方面,無(wú)論是設(shè)計(jì)還是工藝技術(shù)都日趨成熟,而氫鎳蓄電池應(yīng)用技術(shù),如在軌充電管理技術(shù),逐漸成為制約和影響蓄電池空間工作壽命和可靠性的主要因素。美國(guó)和俄羅斯對(duì)氫鎳蓄電池的技術(shù)研究起步早、空間應(yīng)用數(shù)量多、在軌累積工作時(shí)間長(zhǎng)、地面試驗(yàn)和空間飛行數(shù)據(jù)的積累也比較充分,對(duì)氫鎳蓄電池在軌充電管理技術(shù)及其對(duì)氫鎳蓄電池的壽命影響等方面的研究比較深入,其研究成果使氫鎳蓄電池的空間應(yīng)用可靠性得到了進(jìn)一步的提高。我國(guó)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)行氫鎳蓄電池方面的預(yù)先研究,到本世紀(jì)初開(kāi)始步入空間應(yīng)用階段。雖然對(duì)氫鎳蓄電池空間應(yīng)用技術(shù)也開(kāi)展了一定的研究并進(jìn)行了一系列的空間實(shí)踐,但由于起步晚、空間飛行數(shù)據(jù)少等原因,對(duì)氫鎳蓄電池技術(shù)的研究及空間工程應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)尚落后于國(guó)際先進(jìn)水平。

2 氫鎳蓄電池壽命模型及影響因素

美國(guó)空間公司在對(duì)長(zhǎng)期氫鎳蓄電池地面壽命試驗(yàn)和在軌飛行積累的大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)庫(kù),并轉(zhuǎn)化為氫鎳蓄電池壽命預(yù)測(cè)模型,用來(lái)反映和確定氫鎳蓄電池在空間運(yùn)行過(guò)程中影響其壽命和可靠性的因素及其對(duì)這些因素的敏感度[1-2]。氫鎳蓄電池?cái)?shù)據(jù)庫(kù)包含的數(shù)據(jù)主要由地面加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)和在軌實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)兩部分構(gòu)成,研究主要針對(duì)氫鎳蓄電池的兩種失效模式進(jìn)行:漸變型的容量損失失效和突變型的短路失效。

2.1 過(guò)充和涓流對(duì)蓄電池壽命的影響

該項(xiàng)研究在相同的放電深度(78%)、溫度(地影期-5℃,光照期+8℃)、單體電池峰值電壓(1.54V)、充電速率(C/12)和過(guò)充率(1.15)下,對(duì)兩組蓄電池進(jìn)行了加速壽命試驗(yàn),兩組蓄電池分別采用C/100 和C/200 涓流充電速率。

圖1顯示了不同涓流充電速率下,地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星蓄電池的預(yù)測(cè)壽命與放電深度的關(guān)系。圖中實(shí)線為相對(duì)于額定容量的放電深度,虛線為假設(shè)有10%容量裕度的放電深度。圖1表明,蓄電池容量下降與涓流充電速率密切相關(guān)。在最長(zhǎng)地影期時(shí),容量會(huì)稍稍下降,而在地影期縮短和放電深度減小時(shí)又會(huì)有所恢復(fù)。在較高的工作溫度下(10℃),需要較高的涓流速率(C/100)來(lái)抵消容量下降和相對(duì)較高的自放電。由于自放電相對(duì)較高,在高溫時(shí)較高的涓流速率(C/100)實(shí)際上并不會(huì)造成較高的過(guò)充量。然而在低溫時(shí),C/100的涓流速率雖然能夠有效防止容量下降,但同時(shí)也造成了較高的過(guò)充量,加速了損耗。

圖1 不同涓流充電速率下,蓄電池的預(yù)測(cè)壽命與放電深度的關(guān)系Fig.1 Function betw een predicted life and discharge depth of battery at different trickle rates

涓流對(duì)蓄電池壽命的影響主要是其是否產(chǎn)生過(guò)充。另一組加入異常擾動(dòng)的壽命試驗(yàn),同樣顯示了蓄電池壽命對(duì)過(guò)充的敏感度。試驗(yàn)中蓄電池組在-5℃的溫度下充滿(mǎn)電,放電深度為額定容量的91.6%。在每次放電結(jié)束時(shí)以C/12 的速率充電,過(guò)充率為1.25,然后以C/100 的速率涓流充電,直到下次地影期放電。在每個(gè)44 天的地影期之間相隔15 天的光照期,在光照期每天放電深度約為35%。試驗(yàn)中,在第20個(gè)地影期之后制造一次異常,使其以C/20 速率過(guò)充約90 天。然后回到正常的試驗(yàn)過(guò)程中,蓄電池的性能還處于可接受的范圍內(nèi),但卻有了明顯的衰降。在26次循環(huán)之后,其中一個(gè)單體的電壓降到1V 以下,發(fā)生了容量損失失效(如圖2)。

圖2 加入異常情況的蓄電池地面加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.2 Data of accelerated life experiment of battery on ground in present of abnormal conditions

而另一組蓄電池的地面加速試驗(yàn)中,不包括如上所述的異常。試驗(yàn)同樣為在-5℃的溫度下充滿(mǎn)電,峰值放電深度為額定容量的91.6%,充電速率為C/15,過(guò)充率為1.30,然后以C/100 的速率涓流充電,直到下次地影期放電。該組蓄電池進(jìn)行了30次充放電循環(huán)加速壽命試驗(yàn),并沒(méi)有任何一個(gè)蓄電池單體發(fā)生失效。在最長(zhǎng)的地影期中,蓄電池單體的最低電壓為1.05V。該項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果顯示,30個(gè)充放電循環(huán)后,由容量損耗導(dǎo)致失效的可能性?xún)H不到0.02%,而短路失效的可能性更少了幾個(gè)數(shù)量級(jí)(如圖3)。

圖3 未加入異常情況的蓄電池地面加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.3 Data of accelerated life experiment of battery on ground in absent of abnormal conditions

2.2 溫度對(duì)蓄電池壽命的影響

溫度對(duì)保持蓄電池容量和性能下降速率有重要作用。通常我們認(rèn)為降低溫度能夠減緩蓄電池的損耗,但是還有其它因素能夠影響溫度所起的作用。圖4所示為在不同的涓流充電速率下,溫度變化對(duì)蓄電池壽命的影響。在低溫時(shí)(圖4中實(shí)線所示),蓄電池的壽命對(duì)涓流充電速率和過(guò)充量的敏感度較高,這是因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)不需要較多的過(guò)充來(lái)抵消自放電,因此幾乎所有的過(guò)充都用于增加蓄電池?fù)p耗了,尤其在涓流充電速率為較高的C/100時(shí)。在溫度相對(duì)較高時(shí),蓄電池的壽命對(duì)涓流充電速率不那么敏感。分析結(jié)果表明,在涓流充電速率為較高的C/100時(shí),高溫實(shí)際上使蓄電池的壽命增加了5年,而在涓流充電速率為較低的C/200時(shí),反倒減少了2～5年。

以上分析表明,在設(shè)計(jì)氫鎳蓄電池的工作溫度和充電策略時(shí),需要同時(shí)考慮損耗速率和電池容量,這兩點(diǎn)同樣重要。特別是需要選擇與溫度相對(duì)應(yīng)的合適的涓流充電速率。

2.3 容量裕度及放電深度對(duì)蓄電池壽命的影響

圖4 不同涓流充電速率和不同溫度下蓄電池的預(yù)測(cè)壽命與放電深度的關(guān)系Fig.4 Function between predicted life and discharging depth of battery at different trickle rates and temperatures

大量的試驗(yàn)結(jié)果表明,容量裕度對(duì)減緩蓄電池容量衰減更加重要。圖5顯示了研究結(jié)果,其中實(shí)線表示相對(duì)于額定容量有10%的裕度,虛線表示沒(méi)有裕度。在圖中,容量裕度減小了在較高放電深度部分的壽命下降斜率,從而減緩了容量損耗。其原因是,有了10%的容量裕度,蓄電池的壽命終點(diǎn)相當(dāng)于變成110%的放電深度,而不是100%。因此,如果在壽命初期能夠保證一定的容量裕度,在壽命末期,當(dāng)容量衰退成為制約壽命的主要因素時(shí),就能額外地延長(zhǎng)蓄電池壽命。

2.4 在軌使用年限對(duì)蓄電池壽命的影響

圖5 容量裕度對(duì)蓄電池的預(yù)測(cè)壽命與放電深度關(guān)系的影響Fig.5 Impact of capacity margin on the function between the predicted life and discharging depth of battery

利用加速壽命試驗(yàn)結(jié)果對(duì)在軌使用年限對(duì)蓄電池壽命的影響進(jìn)行了分析,該組蓄電池試驗(yàn)制度為:放電深度78%,地影期溫度-5℃,光照期溫度+8℃,單體電池峰值電壓1.54V,充電速率C/12,在每次地影期后轉(zhuǎn)涓流充電前,過(guò)充率均為1.15。試驗(yàn)得到的蓄電池壽命損耗模型如圖6所示。結(jié)果表明,在C/100 涓流充電速率下,蓄電池在16年時(shí)發(fā)生單體失效的概率為50%。蓄電池在軌工作期間,發(fā)生容量衰減的失效模式概率高于發(fā)生短路故障的失效模式概率。

2.5 壽命影響因素研究結(jié)果

以上研究結(jié)果表明,在排除蓄電池單體及組件自身設(shè)計(jì)和制造缺陷的條件下,蓄電池壽命強(qiáng)烈依賴(lài)于放電深度(尤其是工作在高放電深度時(shí))、過(guò)充量、涓流充電率和工作溫度。另外,研究還揭示了以上因素之間的強(qiáng)耦合性,并提出:在最優(yōu)充電控制系統(tǒng)和最優(yōu)運(yùn)行條件的前提下,正確設(shè)計(jì)的氫鎳蓄電池能夠以70%～75%的放電深度在GEO 軌道上可靠運(yùn)行超過(guò)30年。預(yù)測(cè)結(jié)果還揭示出,在最大放電深度時(shí),通過(guò)最優(yōu)化充電控制和工作溫度,能夠保證可靠運(yùn)行超過(guò)10年。

圖6 在軌使用年限對(duì)蓄電池累積損耗壽命的影響Fig.6 Impact of on-orbit years on cumulative wear-out of battery

3 氫鎳蓄電池在軌充電管理技術(shù)

從上述影響蓄電池在軌使用壽命的因素可以看出,避免過(guò)充及在合適的使用溫度下,選擇合適的涓流充電速率是提高在軌使用可靠性的關(guān)鍵,也是蓄電池在軌充電管理技術(shù)的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氫鎳蓄電池采用的充電管理方式主要有:溫度補(bǔ)償電壓控制、電子電量計(jì)控制、壓力終止控制、溫度上升速率控制等,均充分考慮了這一點(diǎn)。

3.1 溫度補(bǔ)償電壓控制

溫度補(bǔ)償電壓控制(即V-T 控制)是NASA最早針對(duì)鎘鎳蓄電池進(jìn)行充電控制最常用的方法。這種方法最大的好處是在鎘鎳蓄電池充電過(guò)程中,可以最大程度地降低發(fā)熱。在氫鎳蓄電池逐步取代鎘鎳蓄電池以后,對(duì)于那些原來(lái)使用鎘鎳蓄電池作為星載能源的成熟航天器或衛(wèi)星平臺(tái),無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,仍然沿用了V-T 控制方法作為氫鎳蓄電池的充電終止控制手段。同時(shí),為適應(yīng)氫鎳蓄電池的熱特性和電特性,對(duì)控制數(shù)值進(jìn)行了適應(yīng)性修改。

溫度補(bǔ)償電壓控制按照實(shí)現(xiàn)方式可以分為硬件V-T 控制和數(shù)字V-T 控制。硬件V-T 控制即采用模擬電路實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償電壓控制。通過(guò)預(yù)設(shè)的溫度與電壓的關(guān)系,當(dāng)蓄電池充電電壓達(dá)到V-T曲線數(shù)值時(shí),控制電路即輸出控制信號(hào)切斷充電開(kāi)關(guān)。由于蓄電池在軌運(yùn)行的過(guò)程中性能會(huì)逐漸衰降,因此一條固定的V-T曲線并不能滿(mǎn)足衛(wèi)星電源管理的需求,因此一般會(huì)預(yù)置幾條V-T曲線,可以通過(guò)遙控指令進(jìn)行選擇。圖7為我國(guó)東方紅三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)采用的典型的V-T曲線,共設(shè)置了6條曲線。這類(lèi)硬件V-T 控制方式將蓄電池充滿(mǎn)時(shí)其電壓與溫度視為基本呈線性關(guān)系,對(duì)電壓與溫度間的關(guān)系進(jìn)行了近似。

圖7 典型的硬件V-T曲線Fig.7 Typical hardw are V-T curve

數(shù)字V-T 控制又稱(chēng)為讀表控制,這是隨著星務(wù)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后,利用星務(wù)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的一種溫度補(bǔ)償電壓控制方式。其V-T曲線不再由模擬電路實(shí)現(xiàn),而是通過(guò)在星務(wù)計(jì)算機(jī)中預(yù)存電壓與溫度對(duì)應(yīng)的數(shù)表,利用溫度值對(duì)應(yīng)的電壓值進(jìn)行控制。當(dāng)讀表系統(tǒng)判定蓄電池充電電壓達(dá)到當(dāng)前溫度對(duì)應(yīng)的充電終止電壓時(shí),即發(fā)出指令切斷充電開(kāi)關(guān)。

與硬件V-T 采用電壓與溫度線性對(duì)應(yīng)關(guān)系不同,數(shù)字V-T曲線更好地結(jié)合蓄電池的特性,采用了更精確的終止充電的電壓與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)現(xiàn)方式上,實(shí)際的數(shù)字V-T曲線并不是一條連續(xù)的曲線,而是一個(gè)離散的數(shù)表。數(shù)字V-T曲線可以通過(guò)軟件參數(shù)注入方便地進(jìn)行調(diào)整。圖8為我國(guó)某型號(hào)衛(wèi)星所采用的硬件和數(shù)字V-T曲線,其中6條直線為硬件V-T曲線,2條曲線為數(shù)字V-T曲線,并針對(duì)大廳測(cè)試和熱試驗(yàn)設(shè)置了不同的曲線。可以看出,數(shù)字V-T曲線可以充分考慮蓄電池的使用環(huán)境、工況以及電池個(gè)體差異等各項(xiàng)因素的影響,對(duì)充電終止電壓進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整,進(jìn)一步精細(xì)地對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。

圖8 數(shù)字V-T曲線與硬件V-T曲線的比較Fig.8 Comparison between digital V-T curve and hardw are V-T curve

但是溫度補(bǔ)償電壓控制方式由于其采用電壓和溫度作為充電終止的控制信號(hào),而這兩者與荷電狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系隨著氫鎳蓄電池的性能衰降會(huì)不斷地發(fā)生變化,因此很難完全避免電池的過(guò)充或欠充。但當(dāng)電池過(guò)充時(shí),由于氧氣的析出及其與氫氣的復(fù)合,導(dǎo)致的大量放熱會(huì)造成電池溫度的迅速升高,此時(shí)電池電壓會(huì)很快滿(mǎn)足溫度對(duì)應(yīng)的充電終止電壓,使充電開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。因此,溫度補(bǔ)償電壓控制在國(guó)內(nèi)外很多衛(wèi)星中,都作為備份的充電控制手段,避免主份充電控制方式故障時(shí)造成蓄電池過(guò)充受損。

3.2 充放電比率控制

充放電比率(c/d 比率)即每個(gè)充放電周期蓄電池放出的電量和再充入電量的比率。用c/d 比率進(jìn)行充電控制,是目前氫鎳蓄電池特別是地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星氫鎳蓄電池充電控制最廣泛采用的一種充電控制方式。

對(duì)于GEO衛(wèi)星和低軌道(LEO)衛(wèi)星,其完全充電的含義不同。對(duì)于大多數(shù)LEO衛(wèi)星,放電深度比較低,典型值為35%～40%,控制的重點(diǎn)是盡量減小過(guò)充和發(fā)熱。因此,蓄電池通常只是充至其滿(mǎn)荷電狀態(tài)的85%左右,這種較低的荷電狀態(tài)非常適用于小的放電深度。而對(duì)于GEO衛(wèi)星,在最長(zhǎng)地影時(shí)蓄電池往往需放出其壽命初期容量的70%～80%的電量,因此在地影季必須對(duì)蓄電池進(jìn)行完全的充電。

對(duì)于GEO衛(wèi)星,廣泛采用的方法是以固定的c/d 比率給蓄電池充電,以C/10～C/25 的高倍率給蓄電池充電至其放出電量的1.05～1.15倍,然后在地影季每天的涓流充電速率為C/60～C/100,以使蓄電池始終保持滿(mǎn)荷電狀態(tài)。早期使用氫鎳蓄電池的G EO衛(wèi)星,絕大多數(shù)采用地面計(jì)算放電電量和充電電量的方式,到達(dá)設(shè)定的c/d 比率后,通過(guò)地面遙控指令轉(zhuǎn)為涓流充電。如國(guó)際通信衛(wèi)星-V[3],所有充電電流轉(zhuǎn)換功能均由地面遙控指令控制。通過(guò)對(duì)放電電流的積分操作,計(jì)算放電過(guò)程中放出的安時(shí)數(shù),據(jù)此計(jì)算出以高倍率C/21 給蓄電池充電至1.15倍放出的安時(shí)數(shù)所需要的時(shí)間。在到達(dá)該時(shí)間時(shí),地面發(fā)出遙控指令轉(zhuǎn)入涓流充電。涓流充電保證蓄電池始終處于滿(mǎn)荷電狀態(tài)。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,固定c/d 比率控制逐漸演化為電子電量計(jì)控制。電子電量計(jì)也叫安時(shí)計(jì),其基本原理是通過(guò)計(jì)算蓄電池的放電電量和充電電量實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電的準(zhǔn)確控制,其實(shí)現(xiàn)方式可分為硬件實(shí)現(xiàn)和軟件實(shí)現(xiàn)兩種。

對(duì)于硬件實(shí)現(xiàn),它是由置于電源控制設(shè)備中的控制電路,通過(guò)硬件方式累計(jì)蓄電池充放電的安時(shí)數(shù)進(jìn)行控制。在蓄電池放電期間,控制電路累計(jì)蓄電池的放電安時(shí)數(shù)。在蓄電池充電期間,控制電路累計(jì)蓄電池的充電安時(shí)數(shù)并實(shí)時(shí)計(jì)算蓄電池的荷電百分?jǐn)?shù),當(dāng)荷電百分?jǐn)?shù)達(dá)到預(yù)定的控制閾值時(shí),發(fā)出控制信號(hào)終止充電。

軟件實(shí)現(xiàn)與硬件實(shí)現(xiàn)的不同之處,在于它不是通過(guò)硬件方式,而是通過(guò)軟件應(yīng)用程序采樣遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行電量積分。具有智能模塊或星務(wù)計(jì)算機(jī)的衛(wèi)星幾乎都采用軟件實(shí)現(xiàn)方法。在蓄電池放電期間,電源系統(tǒng)的智能模塊或星務(wù)計(jì)算機(jī)對(duì)蓄電池放電電流進(jìn)行采樣并積分,得出蓄電池的放電安時(shí)數(shù)。在蓄電池充電期間,智能模塊或星務(wù)計(jì)算機(jī)又不斷地對(duì)蓄電池充電電流進(jìn)行采樣并積分,實(shí)時(shí)計(jì)算蓄電池的充電安時(shí)數(shù)。智能模塊或星務(wù)計(jì)算機(jī)不斷比較充電安時(shí)數(shù)和放電安時(shí)數(shù),當(dāng)充電安時(shí)數(shù)大于放電安時(shí)數(shù)與預(yù)定充放電比的乘積時(shí),就發(fā)出控制信號(hào)終止蓄電池大電流充電轉(zhuǎn)涓流。充放電比是考慮了蓄電池組自放電、充電效率和采樣誤差之后的一個(gè)綜合系數(shù),取值可根據(jù)在軌情況不斷調(diào)整。

3.3 壓力終止充電控制

對(duì)于氫鎳蓄電池,電池內(nèi)氫氣的壓力與電池的荷電狀態(tài)有著密切的關(guān)系。蓄電池放電時(shí),電池內(nèi)氫氣的壓力會(huì)線性下降,充電時(shí)則線性增加,在達(dá)到充滿(mǎn)時(shí)則保持穩(wěn)定。因此,氫鎳蓄電池內(nèi)氫氣的壓力可用于充電終止控制。

采用壓力控制的通常做法,是在氫鎳蓄電池的壓力容器上粘貼應(yīng)變片或安裝壓力計(jì)、壓力傳感器,以測(cè)量電池的充電狀態(tài)。當(dāng)測(cè)量結(jié)果表明電池組已經(jīng)達(dá)到滿(mǎn)充電狀態(tài)時(shí),應(yīng)立即停止倍流充電轉(zhuǎn)涓流充電。

但是采用壓力控制的方法也有缺陷。比如,測(cè)量壓力的應(yīng)變片在壓力較低時(shí)靈敏度較低,數(shù)據(jù)精度和重復(fù)性較差。此外,由于電池性能的差異,對(duì)于不同的單體電池在同一充電狀態(tài)下的壓力數(shù)據(jù)也不完全相同。另外,壓力傳感器和蓄電池兩者的性能都有隨時(shí)間衰降的問(wèn)題,測(cè)得的數(shù)據(jù)如何修正也有問(wèn)題。因此,國(guó)外文獻(xiàn)明確指出,不推薦壓力作為充電控制的主要控制手段[4]。我國(guó)已發(fā)射的衛(wèi)星中,僅有個(gè)別低軌衛(wèi)星將壓力控制作為主要的充電管理方式,但是部分衛(wèi)星采用壓力遙測(cè)值作為斷涓流的控制信號(hào),當(dāng)壓力值達(dá)到預(yù)定閥值時(shí),就由地面發(fā)送指令停止涓流充電,防止蓄電池過(guò)充。

3.4 溫度上升速率充電控制

在氫鎳蓄電池充電過(guò)程中,當(dāng)蓄電池荷電狀態(tài)較低時(shí),由于此時(shí)充電效率很高,加上充電的化學(xué)反應(yīng)為吸熱反應(yīng),此時(shí)蓄電池的溫度會(huì)下降;當(dāng)蓄電池逐漸接近充滿(mǎn)狀態(tài)時(shí),充電效率會(huì)逐步降低,轉(zhuǎn)換效率的降低將導(dǎo)致蓄電池的溫度升高;而當(dāng)蓄電池完全充滿(mǎn)后,將處于過(guò)充的化學(xué)反應(yīng)狀態(tài),充電的能量將全部轉(zhuǎn)換為熱能,此時(shí)溫度升高速率會(huì)進(jìn)一步提高。

根據(jù)以上特性可知,針對(duì)已經(jīng)固定的充電電流,蓄電池的溫度上升速率能夠反映電池的荷電狀態(tài),因此可以利用蓄電池在充電過(guò)程中的溫度上升速率作為充電控制信號(hào)。為了防止蓄電池溫度緩慢升高導(dǎo)致溫度超限,采用此類(lèi)充電控制的電源系統(tǒng),一般還會(huì)設(shè)定一個(gè)極限溫度,當(dāng)蓄電池溫度達(dá)到極限溫度時(shí),即使蓄電池溫度上升速率未達(dá)到門(mén)限,也切斷充電開(kāi)關(guān),保護(hù)蓄電池。

Martin M arietta 公司的AS TRA-1A衛(wèi)星就采用了該充電控制方式[5]。AS TRA-1A衛(wèi)星是一顆GEO 通信衛(wèi)星,其電源系統(tǒng)采用了三組50Ah 的氫鎳蓄電池,利用溫度上升速率作為主要的充電控制方式,同時(shí)利用V-T 控制作為備份。充電過(guò)程中,將過(guò)去7min 的溫度變化作為溫度上升速率(如果是溫度下降即為負(fù)值),當(dāng)溫度上升速率滿(mǎn)足:

其中,T表示蓄電池溫度,t為時(shí)間變量。

即當(dāng)由于充電引起的蓄電池溫度上升速率達(dá)到4℃/h時(shí),蓄電池停止充電。

采用溫度上升速率作為蓄電池充電控制方式,能很準(zhǔn)確地判定蓄電池的荷電狀態(tài),但蓄電池溫度的變化還受衛(wèi)星外熱流等因素的影響,同時(shí)蓄電池性能的衰降也會(huì)影響溫度上升速率門(mén)限值與荷電狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此采用該方法需要綜合考慮的因素較多。因此,該控制方法比較適合采用軟件方式,可以方便地根據(jù)工況設(shè)定不同的溫度上限值、溫度上升速率門(mén)限值等,實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充電管理的優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)氫鎳蓄電池壽命模型和影響壽命因素的分析可以看到,氫鎳蓄電池放電深度、溫度、過(guò)充量、過(guò)充率及在軌工作時(shí)間是影響氫鎳蓄電池壽命和可靠性的主要因素[6],這些因素主要可以歸納于在軌充放電管理的技術(shù)范疇。

在充電管理方面,隨著星務(wù)計(jì)算機(jī)的普遍采用,電子電量計(jì)控制方式得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí),采用電壓、壓力、溫度作為充電終止控制信號(hào)的充電管理方式也有著廣泛的應(yīng)用。無(wú)論國(guó)外還是國(guó)內(nèi)衛(wèi)星都采用了兩種或者更多種的充電管理方式,避免了由于一種控制方式失效造成的電池過(guò)充。但是諸如利用溫度上升速率等對(duì)氫鎳蓄電池進(jìn)行精確充電管理和控制的技術(shù),由于受數(shù)據(jù)采集技術(shù)、器件可靠性技術(shù)等條件制約,在我國(guó)尚未得到應(yīng)用。國(guó)外對(duì)這些技術(shù)的研究及其研究成果的工程應(yīng)用,為氫鎳蓄電池空間應(yīng)用可靠性的進(jìn)一步提高提供了保障,值得我國(guó)借鑒和參考。

References)

[1]Zimmerman AH,Quinzio MV.Model for predicting the effects of long-term storage and cycling on the life of NiH2 cells [C]// Proc.of the 2003 NASABattery Workshop,20 November 2003,H untsville,AL

[2]Zimmerman AH.Life modeling for nickel hydrogen batteries in geosynchronous satellite operation [R].The Aerospace Corporation,EI Segundo,California,USA,AIAA2005-5623,2005

[3]Ommering G V,Koehler C W,Briggs D C.Nickel-hydrogen batteries for INTELSAT V [C]// Proc.15th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference,Seattle,WA,1980

[4]Dunlop J D,Rao G M.NASAhandbook for nickel-hydrogen batteries[R].NASA-RP-1314,1993

[5]Carlo T,Romulo P.Performance improvement of AST RA1ANi-H2 batteries using optimized battery charging schemes and reconditioning [R].AIAA-94-3868-CP,1994

[6]Thaller L H ,Zimmernam AH.Overview of the design,development,and application of nickel-hydrogen batteries[R].The Aerospace Corporation,EI Segundo,California,NASA/TP-2003-211905,2003